磁悬浮浮筏主动隔振系统刚度匹配机理的研究

潜艇在我国国防建设中具有重要的战略意义，潜艇的静音能力是衡量战斗力的主要指标之一，降低动力噪声的主要手段是采用浮筏隔振技术，但浮筏隔振无法克服低频减振能力差的难题。本项目提出磁悬浮作动器与浮筏结合使用的“磁悬浮浮筏主动隔振系统”，即在振源与受控对象之间增加能够进行主动控制的磁悬浮作动器，综合利用浮筏隔振和磁悬浮作动器隔振的优点，改进隔振系统的隔振降噪效果，解决浮筏隔振无法对低频振动进行衰减的问题。 本项目通过理论与实验相结合的方法，建立了基于刚度控制的磁悬浮作动器的理论模型和仿真模型，研究了影响其刚度变化的因素；根据理论研究和计算机仿真分析结果，完成了可变刚度电磁-空气弹簧混合隔振器的分析设计，设计了一种新型结构的气磁主被动混合隔振器；综合考虑空气弹簧承载能力大和磁悬浮隔振器能够抑制空气弹簧低频共振的特点，推导出了空气弹簧刚度与磁悬浮隔振器位移刚度间的关系；研究了气磁主被动混合隔振器的设计准则；依据该设计准则进行了实例设计；空气弹簧和磁悬浮隔振器的刚度取不同值时，对气磁主被动混合隔振系统的固有频率和力传递率进行了仿真分析，结果表明增大磁悬浮隔振器刚度的绝对值或降低空气弹簧的刚度值，可以达到更好的隔振效果。通过研究所获得的空气弹簧与磁悬浮隔振器间的刚度匹配策略和刚度设计准则，是磁悬浮浮筏主动隔振系统设计的关键。 本项目研制了磁悬浮浮筏主动隔振系统实验装置，进行了磁悬浮主动隔振系统模型辨识研究，研究了磁悬浮浮筏主动隔振系统控制方法，如自适应前馈控制方法、H∞控制方法、模糊控制方法和LQR控制方法等。 本项目在磁悬浮浮筏主动隔振系统实验装置上采用自适应前馈和H∞等控制方法开展了控制系统性能实验研究，进行了单激励源单通道、多激励源单通道和单激励源多通道等控制实验，实验结果与仿真结果基本一致，实验取得了明显的减振效果。 上述研究工作为磁悬浮浮筏主动隔振系统的设计和应用奠定了理论基础。

潜艇在我国国防建设中具有重要的战略意义，潜艇的静音能力是衡量战斗力的主要指标之一，降低动力噪声的主要手段是采用浮筏隔振技术，但浮筏隔振无法克服低频减振能力差的难题，本项目提出引入磁悬浮作动器构成磁悬浮浮筏主动隔振系统加以解决。传统磁悬浮支承是进行平衡位置控制，而磁悬浮作动器是进行刚度阻尼调节，只有对基于刚度阻尼控制的磁悬浮作动器的相关问题进行研究，才能将磁悬浮作动器与浮筏结合应用于潜艇隔振系统中。本项目拟通过理论与实验相结合的方法，探索磁悬浮支承技术在浮筏隔振应用中引发的新问题，研究基于刚度控制的磁悬浮作动器模型的建立、研究磁悬浮作动器刚度阻尼对浮筏系统振动特性的影响、研究磁悬浮作动器与浮筏的刚度匹配规律、研究基于刚度匹配策略的磁悬浮作动器的控制方法，构建磁悬浮浮筏主动隔振系统的设计理论与设计方法，为磁悬浮作动器应用于隔振系统奠定理论基础，为提高我国潜艇声隐身技术水平和国防事业作出贡献。

磁悬浮列车的原理并不深奥。它是运用磁铁“同性相斥，异性相吸”的性质，使磁铁具有抗拒地心引力的能力，即“磁性悬浮”。科学家将“磁性悬浮”这种原理运用在铁路运输系统上，使列车完全脱离轨道而悬浮行驶，成为“无轮”列车，时速可达几百公里以上。这就是所谓的“磁悬浮列车”，亦称之为“磁垫车”。

由于磁铁有同性相斥和异性相吸两种形式，故磁悬浮列车也有两种相应的形式：一种是 利用磁铁同性相斥原理而设计的电磁运行系统的磁悬浮列车，它利用车上超导体电磁铁形成的磁场与轨道上线圈形成的磁场之间所产生的相斥力，使车体悬浮运行的铁路；另一种则是利用磁铁异性相吸原理而设计的电动力运行系统的磁悬浮列车，它是在车体底部及两侧倒转向上的顶部安装磁 铁，在T形导轨的上方和伸臂部分下方分别设反作用板和感应钢板，控制电磁铁的电流，使电磁铁和导轨间保持10—15毫米的间隙，并使导轨钢板的排斥力与车辆的重力平衡，从而使车体悬浮于车道的导轨面上运行。 磁悬浮列车与当今的高速列车相比，具有许多无可比拟的优点： 由于磁悬浮列车是轨道上行驶，导轨与机车之间不存在任何实际的接触，成为“无轮”状态，故其几乎没有轮、轨之间的摩察，时速高达几百公里； 磁悬浮列车可靠性大、维修简便、成本低，其能源消耗仅是汽车的一半、飞机的四分之一； 噪音小，当磁悬浮列车时速达300公里以上时，噪声只有65.6分贝，仅相当于一个人大声地说话，比汽车驶过的声音还小； 由于它以电为动力，在轨道沿线不会排放废气，无污染，是一种名副其实的绿色交通工具。2100433B

飞轮蓄能发电设备的旋转摩擦损耗较大，为了减少旋转摩擦损耗，所以一般都采用磁悬浮轴承。磁悬浮轴承是飞轮储能系统的关键部件。磁轴承根据磁场性质的不同主要分为被动磁悬浮轴承(PMB)和主动磁悬

浮轴承(AMB)两种：

(a)被动磁悬浮轴承

被动磁悬浮轴承有代表性的是高温超导磁悬浮轴承。无源磁悬浮轴承磁场通常是不可控的。传统的超导体无法满足磁轴承的要求，但是自从高温超导体Y(钇)系发现以来，制造高温超导磁轴承成为可能。永久磁铁安装在飞轮上，高温超导体安装在底座上并用液氮冷却，利用超导体的特性之一的Meissier效应(超导抗磁性)。永久磁铁的磁通被超导体阻挡而产生排斥力，使飞轮处于悬浮状态。

(b)主动磁悬浮轴承

主动磁悬浮系统主要是电磁悬浮系统。电磁悬浮轴承系统主要由转子、电磁铁、传感器、控制系统、功率放大器组合而成。转子位移变化的信号由传感器测出，传到控制器中，控制器计算后，输出信号，经过功率放大器的放大，输入到电磁铁，产生电磁力，从而保证转子的稳定悬浮。

基于磁悬浮技术、电机技术及机器人关节技术，提出并研制一种多自由度磁悬浮球形主动关节系统。从理论上分析磁悬浮球形主动关节既产生支承球形关节的径向悬浮磁力，同时又产生驱动球形关节多自由度转动的切向磁转矩的工作机理。推导磁悬浮球形主动关节产生的径向悬浮力和任意自由度方向的切向磁转矩公式，并通过简易的模型实验对关节进行稳定悬浮和旋转驱动的实验验证。用有限元法分析方法计算磁悬浮球形主动关节磁场各参数的分布规律和磁场间的耦合关系，对磁路结构进行优化，设计主动关节的本体结构。根据本体结构的特点，用空间转子动力学分析方法建立磁悬浮球形主动关节系统的动力学耦合模型，设计系统的自检测解耦控制系统并进行系统仿真优化，为磁悬浮球形主动关节的原理论证和设计计算提供依据。最终制造出本体样机，根据仿真结果设计和构建自检测解耦控制系统，并进行磁悬浮球形主动关节的实验。